王麗慧 黃淑敏 高仁義 左滬 劉玉浩 宋潔 鄭懿 鄒學(xué)成

摘要：地鐵車站的公共區(qū)域（站臺(tái)層、站廳層）在乘客進(jìn)站的過程中屬于過渡區(qū)域，人在此過渡區(qū)域的舒適性感受與室內(nèi)外溫差密切相關(guān)。本文基于人體熱舒適性需求，令乘客在進(jìn)站過程中停下時(shí)的最大 RWI 值小于或等于其在室外時(shí)的 RWI 值，求得不同室外溫度下推薦的站廳運(yùn)行空氣溫度，站臺(tái)運(yùn)行空氣溫度的求取也采用此方法。分析得到推薦的站廳運(yùn)行空氣溫度與室外溫度呈一定的線性關(guān)系，當(dāng)室外溫度處于33℃～37℃時(shí)，推薦站廳運(yùn)行空氣溫度為30.1℃～34.4℃;推薦的站臺(tái)運(yùn)行空氣溫度與站廳溫度也呈一定的線性關(guān)系，當(dāng)站廳溫度在30℃～34℃時(shí)，推薦站臺(tái)運(yùn)行空氣溫度為28.7℃～32.5℃。最后對(duì)推薦運(yùn)行空氣溫度下的車站空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示，在整個(gè)空調(diào)季節(jié)使用推薦的運(yùn)行空氣溫度相比于常規(guī)設(shè)計(jì)溫度的節(jié)能量為149.35×103kWh。

關(guān)鍵詞： RWI;相對(duì)熱舒適;地鐵車站;節(jié)能量;推薦運(yùn)行空氣溫度

中圖分類號(hào)：X1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：1006—7973（2022）03-0146-03

在夏季室外高溫天，室外溫度較高的時(shí)段乘客進(jìn)地鐵車站乘車過程中，滿足乘客熱舒適性的前提下，適當(dāng)?shù)靥嵘囌竟矃^(qū)運(yùn)行溫度具有顯著的節(jié)能效果。針對(duì)地鐵這一特殊熱環(huán)境，首先美國運(yùn)輸部提出了相對(duì)熱指標(biāo) RWI 和熱損失率 HDR 這兩個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)地鐵環(huán)境的熱舒適性[1]，其中 RWI 指標(biāo)適用于較熱的環(huán)境，而 HDR 指標(biāo)則適用于較冷的環(huán)境。朱培根[2]等人采用現(xiàn)場測試、問卷調(diào)查及動(dòng)態(tài)熱舒適評(píng)價(jià)模型，對(duì)公共區(qū)域不同季節(jié)、不同評(píng)價(jià)單元的熱舒適情況進(jìn)行了分析和研究，得出了在夏季時(shí)72%的乘客對(duì)車站內(nèi)的熱舒適度表示滿意，過渡季節(jié)60%的乘客對(duì)車站內(nèi)的熱舒適度表示滿意的結(jié)果。針對(duì)乘客的舒適性要求以及地鐵環(huán)控系統(tǒng)運(yùn)營設(shè)計(jì)方面，劉雪峰[3]等人提出了按相對(duì)熱指標(biāo)調(diào)節(jié)運(yùn)行地鐵中央空調(diào)系統(tǒng)的理論模型，即當(dāng)新風(fēng)溫度從15℃～37℃、相對(duì)濕度從45%～65%變化時(shí)，站廳站臺(tái)相對(duì)濕度都能保持在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

在夏季高溫天時(shí)，適當(dāng)提高地鐵車站運(yùn)行空氣溫度不會(huì)對(duì)乘客的舒適性造成一定影響，而提高此溫度卻能顯著降低車站空調(diào)環(huán)控設(shè)備的運(yùn)行能耗，具有顯著的節(jié)能效果。既有的地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范中給出的地鐵站廳、站臺(tái)的空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)廣泛地應(yīng)用于各城市的地鐵空調(diào)設(shè)計(jì)，本文在此參數(shù)的基礎(chǔ)上，在保障乘客熱舒適性需求的前提下，提高空調(diào)運(yùn)行溫度以達(dá)到地鐵環(huán)控空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的目的。本文基于過渡區(qū)域乘客熱舒適性需求，利用相對(duì)熱指標(biāo) RWI 建立相等的聯(lián)系，計(jì)算獲得不同室外溫度下隨室外溫度變化的車站站廳、站臺(tái)運(yùn)行空氣溫度，繼而結(jié)合熱平衡及空調(diào)系統(tǒng)空氣換熱能效比，對(duì)推薦運(yùn)行空氣溫度下的車站環(huán)控空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)節(jié)能量計(jì)算。

1理論分析基礎(chǔ)

1.1相對(duì)熱指標(biāo) RWI 及計(jì)算公式確定

相對(duì)熱指標(biāo) RWI（Relative Warmth Index）是美國運(yùn)輸部提出的考慮人體在過渡空間環(huán)境的熱舒適指標(biāo)，其定義式如下。

當(dāng)空氣中水蒸氣分壓力≤2269Pa 時(shí)， RWI 計(jì)算式為：

（1）

當(dāng)空氣中水蒸氣分壓力≥2269Pa 時(shí)， RWI 計(jì)算式為：

（2）

式中： t 為空氣干球溫度，℃; P 為水蒸氣分壓力， Pa;Ia為新陳代謝率，W/m2;Icw為服裝外空氣邊界層熱阻， clo;為濕潤時(shí)衣服的服裝熱阻， clo; R 為單位皮膚面積的平均輻射得熱，W/m2。

本文按照乘客以一定速度（1.2m/s）勻速進(jìn)站時(shí)的狀態(tài)選取相關(guān) RWI 環(huán)控參數(shù)，將上海市夏季地鐵空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)作為參考依據(jù)，選取公式（2）作為本文的計(jì)算公式。

1.2滿足人體熱舒適乘客進(jìn)站過程 RWI 變化規(guī)律

基于公式（2）及相關(guān)參數(shù)計(jì)算得到乘客在進(jìn)站過程中位于不同位置時(shí)的相對(duì)熱指標(biāo) RWI 值，圖1為計(jì)算結(jié)果。

由圖1可知，乘客在進(jìn)站過程中， RWI 最小值為0.209，參照 RWI 指標(biāo)值與 ASHRAE 熱感覺標(biāo)度對(duì)照表可知，其值高于代表“舒適”的0.08。然而，基于現(xiàn)有地鐵站的相關(guān)研究，現(xiàn)有的地鐵設(shè)計(jì)溫度可以滿足絕大多數(shù)乘客的熱舒適性需求，這是由于 RWI 總體處于下降的趨勢，僅在乘客在站臺(tái)或站廳突然停下時(shí)，空氣邊界層熱阻顯著升高，且其新陳代謝率仍保持在行走的狀態(tài)才出現(xiàn) RWI 的激增，由于 RWI 的下降，即使計(jì)算的 RWI 值要高于0.08，但乘客在進(jìn)站過程仍處于舒適的狀態(tài)。 1.3計(jì)算推薦運(yùn)行空氣溫度理論基礎(chǔ)

在實(shí)際的地鐵車站溫度設(shè)計(jì)時(shí)，為了保障乘客的熱舒適性需求，需滿足乘客在進(jìn)站的過程中 RWI 值總體保持下降的趨勢。通過查閱 ASHRAE Handbook[1]美國地鐵設(shè)計(jì)手冊(cè)，對(duì)于車站站廳層運(yùn)行溫度設(shè)計(jì)有如下方法，其給出如下兩個(gè)條件：

①乘客在站廳時(shí) RWI 最大值出現(xiàn)在其突然停下時(shí)

②乘客從室外空間進(jìn)入站廳層，站廳 RWI 最大值等于或小于室外 RWI 值，即：

（3）因此，本文據(jù)圖1結(jié)論分析及 ASHRAE 手冊(cè)中提

出的方法，在滿足乘客熱舒適的前提下，使得站廳的溫度大于站臺(tái)的溫度，小于室外的溫度，乘客進(jìn)站的過程中 RWI 就能夠保持下降的趨勢;其次，站廳 RWI 最大值能夠小于或者等于室外的 RWI 值，就能保證乘客進(jìn)站過程 RWI 下降的要求，達(dá)到舒適的目的。

2結(jié)果與分析

2.1不同室外溫度下推薦站廳運(yùn)行空氣溫度計(jì)算

結(jié)合1.3節(jié)的理論基礎(chǔ)，本文假設(shè)乘客在站廳突然停下時(shí)的 RWI 值等于其在室外行走時(shí)的 RWI 值，計(jì)算得到的站廳運(yùn)行空氣溫度可作為當(dāng)前室外溫度下站廳運(yùn)行溫度的最大值，室外溫度與推薦站廳運(yùn)行空氣溫度的差值即為能滿足乘客舒適性需求的最小溫差。

不同的室外溫度下，保證 RWI室外行走=RWI站廳停下時(shí)的站廳運(yùn)行溫度及溫差如圖2所示，由圖可知，推薦的站廳運(yùn)行溫度與室外溫度呈一定的線性關(guān)系，當(dāng)室外溫度升高時(shí)，推薦的站廳運(yùn)行溫度隨之升高。當(dāng)室外溫度為33℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的站廳運(yùn)行溫度為30.1℃;當(dāng)室外溫度達(dá)到37℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的站廳運(yùn)行溫度為34.4℃。

2.2不同站廳溫度下推薦站臺(tái)運(yùn)行空氣溫度計(jì)算

同理，假設(shè)乘客在站臺(tái)突然停下時(shí)的 RWI 值等于其在站廳行走時(shí)的 RWI 值時(shí)，對(duì)應(yīng)的站臺(tái)運(yùn)行溫度以及站臺(tái)與站廳溫度差亦可被求得。

圖3為不同站廳溫度下對(duì)應(yīng)的站臺(tái)運(yùn)行溫度及溫差，由圖可知，推薦站臺(tái)空氣運(yùn)行溫度與站廳溫度呈一定的線性關(guān)系，當(dāng)站廳溫度升高時(shí)，站臺(tái)運(yùn)行溫度隨之升高。當(dāng)站廳溫度為30℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的站臺(tái)運(yùn)行溫度為28.7℃;當(dāng)站廳溫度達(dá)到34℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的站臺(tái)運(yùn)行溫度為32.5℃。

2.3不同室外溫度下乘客進(jìn)站過程 RWI 求解結(jié)果

圖4為不同室外溫度下按照推薦運(yùn)行溫度計(jì)算得到的車站不同位置 RWI 的求解結(jié)果，從圖中可以看出，整個(gè)進(jìn)站過程 RWI 計(jì)算結(jié)果保持下降的趨勢，僅在買票以及突然停下的時(shí)候 RWI 達(dá)到該區(qū)域的最大值。因此，對(duì)于不同的室外溫度而言，此站廳及站臺(tái)溫度的設(shè)計(jì)能夠滿足乘客的熱舒適需求。

2.4采用推薦運(yùn)行空氣溫度下環(huán)控設(shè)備節(jié)能量計(jì)算

根據(jù)上述室外高溫天工況下，站廳層和站臺(tái)層運(yùn)行空氣溫度推薦的理論計(jì)算結(jié)果，當(dāng)室外溫度高于32攝氏度時(shí)，站廳運(yùn)行溫度將高于現(xiàn)有設(shè)計(jì)溫度30℃，站臺(tái)運(yùn)行溫度將高于現(xiàn)有設(shè)計(jì)溫度28℃，而不影響乘客的熱舒適性。根據(jù)熱量平衡的原理，其節(jié)能量計(jì)算公式如下：

（4）

式中：為空氣能量，kj;為推薦運(yùn)行溫度時(shí)空氣焓值， kJ/kg;為車站常規(guī)設(shè)計(jì)溫度時(shí)空氣焓值，站廳取71.6 kJ/kg，站臺(tái)取64.9 kJ/kg;為車站空氣體積，站廳空氣體積為6480 m3，站臺(tái)空氣體積為4320 m3;為空氣密度，取1.29 kg/m3。

式中： 為時(shí)間，s;為車站空氣體積， m3;G 為送風(fēng)量， m /s，站廳送風(fēng)量取24 m /s，站臺(tái)送風(fēng)量取33

式中：為冷量， kW;站內(nèi)空氣濕度取65%; 為節(jié)能量，kj;為時(shí)間，s。

當(dāng)車站采用推薦的運(yùn)行溫度設(shè)計(jì)時(shí)，不同的室外溫度下，使車站溫度從推薦運(yùn)行溫度達(dá)到常規(guī)設(shè)計(jì)溫度時(shí)所需冷量不同，考慮到整個(gè)空調(diào)季節(jié)室外溫度處于32℃以上各溫度段的小時(shí)數(shù)，小時(shí)數(shù)可以下式表示：

（7）

式中：為室外溫度大于32℃時(shí)不同溫度段的小時(shí)數(shù);為大于32℃的室外溫度總時(shí)長。

在地鐵環(huán)控系統(tǒng)中，空氣換熱量與車站空調(diào)系統(tǒng)各用電設(shè)備輸入功率計(jì)算公式為：

（8）

式中：—空氣換熱能效比，可取值1.27[4];Q—空調(diào)箱供冷量， kW;—空調(diào)系統(tǒng)各用電設(shè)備的平均輸入功率之和， kW。則推薦運(yùn)行溫度相比于常規(guī)設(shè)計(jì)溫度的節(jié)能量可由下式求出：

（9）

由式（4）～（9）聯(lián)立求解可知，整個(gè)空調(diào)季節(jié)推薦運(yùn)行溫度相比于常規(guī)設(shè)計(jì)溫度的節(jié)能量為149.35×103kWh。

3結(jié)論

在夏季高溫天時(shí)，在滿足乘客熱舒適需求的前提下，可適當(dāng)提升地鐵車站公共區(qū)運(yùn)營設(shè)計(jì)溫度來達(dá)到節(jié)省能耗的目的。本文結(jié)論如下：

（1）乘客在站廳及站臺(tái)突然停下時(shí) RWI 會(huì)顯著升高，其原因?yàn)椋阂环矫?，乘客在突然停下時(shí)其新陳代謝率仍然保持在之前的狀態(tài);另一方面，突然停下時(shí)因行走產(chǎn)生的相對(duì)風(fēng)速減小，空氣邊界層熱阻顯著升高。

（2）推薦的站廳運(yùn)行空氣溫度與室外溫度呈一定的線性關(guān)系，當(dāng)室外溫度處于33℃～37℃時(shí)，推薦站廳運(yùn)行空氣溫度為30.1℃～34.4℃。

（3）推薦的站臺(tái)運(yùn)行空氣溫度與站廳溫度也呈一定的線性關(guān)系，當(dāng)站廳溫度在30℃～34℃時(shí)，推薦站臺(tái)運(yùn)行空氣溫度為28.7℃～32.5℃。

（4）基于推薦的運(yùn)行空氣溫度，地鐵環(huán)控系統(tǒng)在整個(gè)空調(diào)季節(jié)相比于常規(guī)設(shè)計(jì)溫度的節(jié)能量為149.35×103kWh。

參考文獻(xiàn)：

[1] Subway Environment Design Hand Book （Volume1） Principles and Applications，1975.

[2]朱培根 ， 王春旺 ， 仝曉娜 ， 宋樺 ， 李曉昀.地鐵站乘客動(dòng)態(tài)熱舒適評(píng)價(jià)研究[J].暖通空調(diào) ，2016，46（02）：101-104+40.

[3]劉雪峰 ， 劉金平.基于變風(fēng)量的相對(duì)熱指標(biāo)運(yùn)行模式在地鐵空調(diào)中的應(yīng)用研究[J].建筑科學(xué) ，2007（04）：78-82.

[4]劉暢.不同運(yùn)行年限下地鐵環(huán)控設(shè)備系統(tǒng)性能參數(shù)演化特性研究[D].上海理工大學(xué)，2018.

基金項(xiàng)目：本論文受國家自然科學(xué)基金（51878408）和交通運(yùn)輸部的衛(wèi)生防疫技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心資助。